应用笔记 3560

高效DC-DC转换器,占用面积等同于LDO


摘要 : 开关调节器能够取代LDO (低压差线性稳压器)从3.3V输入产生1.5V/3A输出。与LDO 45%的效率相比,开关调节器能够提供效率高达87%的更环保的“绿色”设计。现有的LDO设计中电路板空间非常有限,这个尺寸对于开关调节器来说可能无法接受。内置MOSFET的MAX8505开关调节器采用16引脚QSOP封装,能够满足于LDO等同的占位面积要求。

效率的重要性日益提高,面对能源价格不断上涨以及对全球变暖的日益关注,设计高效率“绿色”电路将有效降低运行成本以及对环境的影响。

在注重成本的应用中,普遍选用LDO稳压器从3.3V输入产生1.5V/3A输出。由于LDO需要耗散很大功率(5.4W),必须选择TO220或D2PAC封装。为降低功耗,在低端服务器设计中开始用开关调节器取代LDO稳压器。然而,现有的LDO设计电路板空间非常有限,多数情况下,这个空间对于一个完整的开关调节来说过于拥挤。例如,两个1206 陶瓷电容和D2PAC封装的LDO稳压器占用面积约为18mm x 14mm。要将一个开关调节器装配到这么小的面积内非常困难,特别是在需要外部MOSFET的情况下。

MAX8505是一款高效率、PWM降压型开关调节器,内置高边MOSFET和低边MOSFET,采用16引脚、QSOP封装(5mm x 6.5mm)。1MHz的开关频率允许输入滤波器和输出滤波器使用小尺寸电感和陶瓷电容,占位面积极小。图1所示是完整的MAX8505应用电路。MAX8505可接受5V或3.3V输入,并提供1.5V/3A输出。典型瞬态电流峰值为5.6A。主要的电路元件能够安装在16mm x 14mm面积内,甚至可以获得比LDO稳压器占位面积更小的方案。器件的总功耗仅为0.67W,与LDO相比可保留几乎的5W功率。表1提供了0.9V、1.5V、2.0V及2.5V输出时对应的反馈电阻值。

图1. MAX8505内置开关的降压调节器
图1. MAX8505内置开关的降压调节器

表1. 特殊电压下的反馈电阻
VOUT R3 R2
0.9V 10kΩ 1.24kΩ
1.5V 10kΩ 8.66kΩ
2.0V 10kΩ 15kΩ
2.5V 10.5kΩ 22.1kΩ

图2所示为MAX8505 PCB布局图的顶层,右侧是D2PAC封装器件,以供参考。PCB顶层包含大量元件:MAX8505、L1、C1、C2和C4。7个额外的小型(0603封装)元件放置在板子的底层,这些元件放置不是很重要。

图2. MAX8505开关调节器的图片,右侧为D2PAC封装器件,用于比较。
图2. MAX8505开关调节器的图片,右侧为D2PAC封装器件,用于比较。

表2列出了LM317、MAX8505和外置MOSFET的典型控制器在功耗、占位面积和外部元件数量方面的比较。MAX8505需要最小的电路板面积,并提供最高的效率。阶跃负载瞬态响应如图3所示。输出纹波电压小于10mV,请参见图4表3给出了MAX8505的材料清单。

表2. LM317 LDO、MAX8505和外置MOSFET典型控制器IC的比较情况
Parameters LDO (LM317) MAX8505 Typical Controller IC
Efficiency (%) 45.5 87 76
Power Dissipation (W) 5.4 0.67 1.42
Total Components 5 12 11*
Area (mm x mm) 18 x 14, Single Side 16 x 14, Double Side
Conditions: 3.3V to 1.5V at 3A, design for adjustable output
* 11 components are needed to achieve less than 10mV output ripple voltage.

图3. 阶跃负载瞬态响应:由0.5A跃变至2A, 然后返回到0.5A
图3. 阶跃负载瞬态响应:由0.5A跃变至2A, 然后返回到0.5A

图4. LX开关波形和输出纹波电压
图4. Lx开关波形和输出纹波电压

表3. MAX8505材料清单
Designation QTY Description Part Number
C1 1 Input capacitor, 1206 10µF/6.3V
C2 1 Output capacitor, 1210 47µF/6.3V
C3 1 Decoupling capacitor, 0603 0.1µF/6.3V
C4 1 Snubber capacitor, 0603 3300pF/50V
C5 1 Compensation capacitor, 0603 220pF/50V
C6 1 Decoupling capacitor, 0603 0.22µF/6.3V
R1 1 Compensation resistor, 0603 51.1kΩ, 1%
R2 1 Voltage set resistor, 0603 See Table 1
R3 1 Voltage set resistor, 0603 See Table 1
L1 1 2.2µF/7A SMD inductor, 6.3mm x 6.2mm x 2.5mm Toko
D1 1 Small signal diode 1N4148 or CMDSH-3
IC1 1 3A internal switch regulator MAX8505